装配式钢筋混凝土剪力墙连接节点抗震性能有限元分析

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论文字数:23354 论文编号:sb2021062614273336176 日期:2021-06-27 来源:硕博论文网
笔者通过分析剪力墙在不同参数下的滞回、骨架曲线、变形能力、刚度退化和耗能能力,来进行抗震性能分析。可以得到以下结论:1)通过选择正确的参数和合理的建立模型,模拟结果与试验结果较为吻合,骨架曲线发展趋势一致,可以使用 ABAQUS 软件来模拟装配式剪力墙的滞回试验;2)墙体的不同连接位置对装配式剪力墙抗震性能影响较大,在剪力墙 1/2 区域连接和 1/4 区域连接承载能力比在剪力墙与地梁位置连接的承载能力均有所下降,通过地梁与剪力墙连接的试件延性较好,建议在研究墙体不与地梁连接的装配式剪力墙抗震性能时,选择墙体在 1/2 区域连接;

第 1 章 绪论

1.1 论文的研究背景和意义
1978 年,我国进行改革开放,为城市规划设计开辟竞争局面[1]。同时我国人口红利正在消失,绿色建筑需求量增加[2]。改变这一问题必将使建筑工业化,增强住宅产业的可持续发展。
2014 年,住建部先后发布建筑业改革通知若干意见。2016 年,国务院指出力争用 10 年左右时间,使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到 30%[3]。这一策略冲击了装配式建筑的发展。
2018 年,住建部实施《装配式建筑评价标准》GB/T 51129-2017,明确定义专业术语,全方面分析建筑单体的装配化程度[4]。
2020 年,新冠疫情爆发后,火神山医院首先采用装配式建筑,从设计到交付用了十余天,打造出了中国速度。
装配式建筑的发展解决了工程质量差、建设速度慢等问题,但是在抗震安全上,装配式建筑仍需做更多更进一步的研究[5]。装配式建筑按结构体系可分为四类,其中,装配式剪力墙结构应用广泛。装配式剪力墙结构是以预制或半预制墙板为主要构件,在工厂预制、现场装配并现浇而成的混凝土结构[6]。预制构件在现场拼装完成,竖向墙板的连接形式一般为浆锚连接或灌浆套筒连接,楼面梁板采用叠合现浇。近几年,装配式剪力墙结构构件及节点连接形式成为高校和科研机构研究的热点,并在我国各省商品房或保障房中逐步得到了应用和推广。如图 1-1 所示为国内近三年部分典型装配式建筑。
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1.2 国内外装配式建筑的发展过程
1.2.1 国外装配式建筑的发展过程
装配式建筑起源于欧洲,建筑工业化思想起源于日本,1875 年预制混凝土的出现打破了传统建筑的常规,符合当时建筑工业化的发展。在第二次世界大战结束后,国家家园重建和劳动力匮乏等问题的出现再一次促进建筑工业化的发展,向住宅产业化方向迈进一大步。
美国以混凝土装配式和钢结构装配式为主。1946 年至 1948 年, 美国生产 850000预制房屋,这在战后住宅设计中引发多种设计理念[7]。编制的《PCI 设计手册》[8]包括了装配式建筑相关部分,在国际上具有一定影响力。法国装配式建筑的装配率可达到 80%。
Pons 等[9,10]通过对采用装配式结构建筑的校园和非预制学校进行对比,结果表明装配式建筑的校园环境影响产生小。Kasperzyk 等[11]提出了一种自动预制系统(RPS),改变了装配式结构设计变化的局限性。Piazza 等[12]提出一种新型的多功能钢与木材混合结构,并验证结构的可靠性,为装配式建筑提供了轻型现代抗震建筑构造。Pedro等[13]提出综合改造装配式建筑模块,建造尽可能少的能源消耗和温室气体排放的建筑。Ahmed 等[14]提对预制装配式建筑系统的管理和经济优化。Peng Liu 等[15]提出对预制构件尺寸公差控制方法,克服了传统基于经验的公差控制方法的不足。
表 1-1 我国部分地区采用的装配式结构体系
表 1-1 我国部分地区采用的装配式结构体系
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第 2 章 有限元理论及材料本构计算

2.1 有限元法的理论
有限元理论最早出现在 20 世纪 60 年代,1970 年后才随工业和计算机仿真技术的发展而发展[53]。如今随着科学技术的创新,有限元法被广泛应用在工程、能源以及民用工业等。有限单元法及其程序设计的理论基础涉及了数学、力学、计算机科学等多个学科分支[54]。
有限单元法是把复杂的整体结构离散化,离散成有限个单元后通过力学分析再进行单元组装,通过施加边界条件,得到结构内部某单元的反应。单元划分是有限元法计算精度的重要因素,单元的选取也有多种不同的形状。单元划分与计算的近似结果解成正比,但与计算量成反比,这就又对计算器性能产生影响。
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2.2 ABAQUS 有限元
目前,全球使用较多的有限元分析软件有 ABAQUS、ADNIA、ANSYS 等。ABAQUS 有不同种材料模型、分析过程等[55],被认为功能最强的有限元软件。如图2-1 所示为 ABAQUS 分析阶段图。
非线性有限元分析是从线性有限元分析方法发展过来的。在进行分析时,将材料的非线性关系可以准确的表达至关重要,非线性问题有材料、几何和边界非线性。ABAQUS 软件在模拟装配式剪力墙时对这三种问题都有较好地解决。
图 2-1 ABAQUS 分析阶段图
图 2-1 ABAQUS 分析阶段图

ABAQUS 中的三种混凝土本构模型,分别为混凝土塑性损伤模型、弥散裂纹模型和脆性破裂模型[55]。塑性损伤模型(Concrete damaged plasticity model),可更真实反应混凝土在受拉、压状态下的破坏,还能更好模拟混凝土材料在往复循环荷载下的刚度退化。在装配式剪力墙模型抗震性能研究时,会采用低周反复的加载方式,此种方式可较好地表达出加载过程的力学性能,本文也正是采用此种模型。
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第 3 章 装配式剪力墙滞回试验模拟....................................13
3.1 试验概况.......................................13
3.2 有限元模型的建立.................................15
第 4 章 装配式剪力墙墙体参数有限元分析...............................21
4.1 墙体的主要参数设计..................................21
4.2 模型的建立及力学性能的评价指标...........................22
第 5 章 装配式剪力墙连接参数有限元分析...................................41
5.1 墙体连接承载力计算............................................41
5.2 墙体连接的主要参数设计.................................42

第 6 章 装配式剪力墙的设计方法及施工要求

6.1 预制剪力墙的设计
装配式剪力墙墙体构件设计的标准化、部品化是装配式工业化的发展趋势。设计、生产与装配往往是相互联系融合贯通的,对于民用建筑来说,实现墙体构件设计的标准化,能便于构件生产、加工、运输、装配和维修。
基于本文的研究结果,剪力墙构件在不同位置连接对结构的抗震性能影响非常大,现在有部分高校和研究院针对装配式剪力墙的连接形式进行改变,上下部墙体通过槽钢和高强螺栓相连,墙体的具体连接位置未实际进行研究探讨,这应该会与现浇试件的抗震性能产生差别。在进行剪力墙墙体构件的设计中,注意轴压比和剪跨比的设计范围。
边缘构件预制可以提高预制率,可以有效减少现场竖向预制构件间后浇混凝土连接带的支模和混凝土的浇筑量,预制剪力墙的边缘构造钢筋可以对混凝土起到有效的约束作用,需特别重视箍筋形式和配筋率的加强。考虑到竖向分布钢筋部分连接问题,在设计时,部分连接钢筋可以简化施工、降低成本,有时会因为施工问题导致钢筋连接失效,为避免这一问题的发生,还是应该多做研究来确定足够的安全系数,达到最优的设计结果。
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结论


为实现建造的工业化,装配式钢筋混凝土剪力墙结构的发展日渐突出,装配式剪力墙在设计与连接方面一直是高校和科研机构研究的热点,本文通过理论研究、数值模拟和对比分析的方法,对装配式剪力墙结构中的墙体设计参数和墙体连接参数充分考虑,对不同参数下的剪力墙的抗震性能进行系统的研究。正确建立有限元模型是保证数值模拟结果准确的前提,对混凝土和钢筋本构的选取,分析运算后与已有结论进行验证。在参数化分析过程中,预制墙体设计参数包括不同的连接位置、轴压比、剪跨比和墙体边缘构造钢筋的直径,预制墙体连接参数包括竖向分布钢筋连接的直径、连接钢筋的长度、连接钢筋的分布形式和墙体拼接缝在有限元模拟中的不同摩擦系数,共建立 25 个对比模型,在低周反复荷载试验下,通过分析剪力墙在不同参数下的滞回、骨架曲线、变形能力、刚度退化和耗能能力,来进行抗震性能分析。可以得到以下结论:
1)通过选择正确的参数和合理的建立模型,模拟结果与试验结果较为吻合,骨架曲线发展趋势一致,可以使用 ABAQUS 软件来模拟装配式剪力墙的滞回试验;
2)墙体的不同连接位置对装配式剪力墙抗震性能影响较大,在剪力墙 1/2 区域连接和 1/4 区域连接承载能力比在剪力墙与地梁位置连接的承载能力均有所下降,通过地梁与剪力墙连接的试件延性较好,建议在研究墙体不与地梁连接的装配式剪力墙抗震性能时,选择墙体在 1/2 区域连接;
3)针对剪力墙的峰值承载力,增加轴压比、边缘构造钢筋直径和竖向分布钢筋连接直径均可有效增加峰值承载力,增加构件的剪跨比和减小竖向分布连接钢筋的配筋率会降低峰值承载力,构件的连接钢筋长度对峰值承载力影响较小;
4)针对墙体构件的变形能力,增加构件的剪跨比变形能力明显增强,增加轴压比、边缘构造钢筋直径和竖向分布钢筋连接直径,会使装配式剪力墙的延性系数减小,变形能力减弱;
参考文献(略)


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